摘 要

在人类社会飞速发展的大背景下，能源成为了人类发展的基石，也成为了人类发展的桎梏。而电池的产生和发展，又使得人类在能源的运用上有了更加出色更加广阔的发展空间。锂离子电池因其能量高、循环寿命长、安全适应性好等特点备受欢迎，而关于锂离子电池的电池荷电状态（State of charge，SOC）的研究便是其中的一大重点。

本论文主要研究的是锂离子电池的SOC估算方法。电池的SOC作为电池管理系统控制策略的重要参数,它为电池组控制策略提供判断标准，故准确地对锂电池SOC状态进行估算是锂电池的核心。本论文首先从电池的工作原理出发，分析了锂离子电池的电化学原理与容量影响因素，在考虑多种因素如温度、电池寿命、自放电倍率等的前提下，建立了锂离子电池的Thevenin等效模型；并用最小二乘法拟合了电池模型的相关参数。最后基于扩展卡尔曼滤波原理（Extended Kalman Filter，EKF）建立了电池的等效模型，并通过其在恒流放电工况下的仿真验证，确定了所建模型的精确性。

通过最后的仿真证明所建的基于扩展卡尔曼滤波的电池估算模型在恒流放电试验这种工况下有良好的精度，达到了预期的目标。

关键词：SOC估算；EKF算法；Thevenin模型；锂离子电池

Abstract

In the context of the rapid development of human society, energy has become the cornerstone of human development and the constraints of human development. The generation and development of batteries have made humans have a better and broader development space in the use of energy. Lithium-ion batteries are popular because of their high energy, long cycle life, and good safety adaptability. The research on the state of charge (SOC) of lithium-ion batteries is a major focus.
This paper mainly studies the SOC estimation method of lithium ion batteries. The SOC of the battery is an important parameter of the control strategy of the battery management system. It provides a judgment standard for the control strategy of the battery pack. Therefore, it is the core of the lithium battery to accurately estimate the SOC state of the lithium battery. In this paper, starting from the working principle of the battery, the electrochemical principle and capacity influencing factors of the lithium-ion battery are analyzed, and the Theveinin of the lithium-ion battery is established under the premise of considering various factors such as temperature, battery life, and self-discharge rate. Equivalent model; and the least square method is used to fit the relevant parameters of the battery model. Finally, based on the Extended Kalman Filter (Extended Kalman Filter, EKF), an equivalent model of the battery was established, and the accuracy of the model was determined through its simulation verification under constant current discharge conditions.
The final simulation proves that the built battery estimation model based on extended Kalman filtering has good accuracy under the constant current discharge test and achieves the expected goal.

Key Words： SOC estimation; EKF algorithm; Thevenin model; lithium ion battery

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2锂电池SOC研究现状 3

第2章 锂离子电池的工作原理及特性 5

2.1 锂离子电池的工作原理 5

2.1.1 锂离子电池的分类 5

2.1.2 锂离子电池的电化学原理 6

2.2 锂离子电池实际容量影响因素 8

2.2.1 可恢复性影响因素 8

2.2.2 不可恢复性影响因素 8

第3章 锂离子电池等效电路模型 9

3.1 电池模型概述 9

3.2 电池等效电路模型 9

3.2.1 内阻模型 9

3.2.2 Thevenin模型 10

3.2.3 PNGV模型 11

3.3等效电路模型参数辨识 12

3.3.1 HPPC循环试验 12

3.3.2 开路电压与电池内阻辨识 13

3.3.3 极化内阻和极化电容辨识 16

3.4 电池模型参数的验证 19

第4章 锂离子电池SOC估算 21

4.1 Kalman滤波原理 21

4.1.1 卡尔曼滤波原理 21

4.1.2 扩展Kalman滤波器 22

4.2 基于EKF的SOC估算 24

4.2.1 基于EKF的SOC估算原理 24

4.2.2 基于EKF的Thevenin模型参数计算 25

4.3 基于EKF的SOC估算模型的建立与分析 27

4.3.1 SOC估算模型在恒流放电工况下的验证 28

4.3.2 SOC估算模型仿真分析 29

第5章 总结与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

到如今21世纪，人类社会正是处于经济快速发展，人口递增，科技发展日新月异以及不断环境问题出现的时代，而在此背景下，人类对能源的需求与要求也不断提高。能源的发展关系着人类科技发展的进度，也关系着国民经济的好坏，而它的发展又与经济、政治、科技、环境息息相关，相互促进，又相互制约。美国能源信息署发布的《国际能源展望2016》预测到2040年，全球化石能源供应占比高于3/4。^[1]这表明在未来几十年化石燃料依旧将担任能源里的主导者，依旧处于能源供应中的主导地位。但是随着化石燃料的不断开采与使用，它的储量又在不断下降，而需求却在日益上涨，这样的现状造成全球的能源供应开始面临危机。而在能源利用过程中所带来的环境污染等问题影响着经济的可持续发展。能源问题成为一个世界性的战略问题而受到人们的关注，建立起新能源体系，大力推进新能源替代革命，成为当前全球人民的共识。在能源的使用当中，电池作为能够便捷储蓄、多方位携带等能源载体，成为能源的不可或缺的一大利器。电池不仅可以克服因天气、环境等因素所带来的影响，还可以存储各种来源产生的能量，并且在环境保护方面能提供很大的助力，具有明显的社会效益和经济效益。